活性炭纖維電極的電吸附除鹽研究

張繼衛(wèi)，常海洲，伊 涵

（上海理工大學(xué) 理學(xué)院，上海 200093）

近年來，水資源日益匱乏，該問題已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)比較關(guān)注的問題，由于環(huán)境污染和人口增長加速，越來越多的地區(qū)出現(xiàn)了工業(yè)廢水的污染[1-3]。對于廢水的處理，可以通過常規(guī)工藝去除其中的有機(jī)質(zhì)和細(xì)菌，但是對于廢水中的無機(jī)離子，就需要對其進(jìn)行除鹽處理，除鹽過程是水質(zhì)深度處理的一個關(guān)鍵步驟，利用除鹽工藝可以去除回收水中的Na+、Ca2+、Cl-、Mg2+等大量無機(jī)離子[4]，可以實現(xiàn)化工制藥、輕工技術(shù)等工業(yè)的用水處理，同時在循環(huán)水、飲用水凈化方面也得到了研究[5-7]。目前有很多傳統(tǒng)的處理淡化水的方法，如蒸餾、反滲透、電滲析等，然而這些方法都有種種缺點，如耗能高、產(chǎn)出低、設(shè)備繁瑣等[8]。

電吸附技術(shù)是一種新型的除鹽技術(shù)，在通電條件下，水中的帶電粒子被吸附在帶電電極表面，從而實現(xiàn)對離子的去除。該技術(shù)效果好、無二次污染、成本低[9-11]。電極材料是電吸附技術(shù)的關(guān)鍵，目前活性炭、活性炭纖維、碳納米管、炭氣凝膠在國內(nèi)外已經(jīng)有所研究，然而后兩者處于研究階段，方法不完善，難以得到大規(guī)模應(yīng)用[12-14]?；钚蕴坷w維原料豐富且廉價，比表面積高，制成成品后，可以得到ACF 紙、ACF 布，這就保證了可以以更大的面積接觸溶液的離子，相比傳統(tǒng)的活性炭具更好的應(yīng)用前景[15-16]。

本文通過選用高比表面積的新型吸附材料活性炭纖維（ACF）作為電極材料，選取不易電解、導(dǎo)電性好的石墨片作為極板，自制電極和電吸附裝置，采用較高面積的吸附材料對NaCl 溶液進(jìn)行電吸附研究?？疾炝穗妷?、板間距、板面積對吸附效果的影響，選擇最優(yōu)的實驗參數(shù)處理不同濃度的溶液，同時進(jìn)行了電吸附的脫附研究。

1 實驗

1.1 試劑與材料

試劑：氯化鈉（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、去離子水。

材料：活性炭纖維（SIF-1800，江蘇蘇通碳纖維有限公司），石墨片（北京晶龍?zhí)靥迹?/p>

1.2 實驗儀器

直流穩(wěn)定電源（MT152D），蠕動泵，干燥箱，掃描電鏡（VEGA3 TESCAN），比表面積及孔徑分析儀（麥克ASAP2460）

1.3 活性炭纖維電極的制備

將事先裁剪好的ACF（10 cm×10 cm）加入去離子水中，先浸泡、洗滌。之后換水煮沸3 小時，冷卻室溫后取出，擰干后放入110℃的干燥箱中烘24 小時，取出后放入干燥皿中備用。

對石墨片進(jìn)行處理，洗凈表面，放入烘箱進(jìn)行干燥，之后將預(yù)處理好的ACF 平鋪在石墨片上，用導(dǎo)電膠對兩者進(jìn)行粘結(jié)，壓實、干燥備用。

1.4 電吸附裝置

電吸附裝置采用有機(jī)玻璃容器，長12 cm，高12 cm，寬2 cm。取兩塊制備好的復(fù)合電極，固定在有機(jī)玻璃容器中，調(diào)整實驗裝置參數(shù)，接入蠕動泵，兩塊復(fù)合電極外加電源通電，即可進(jìn)行電吸附的過程。

1.5 實驗方法

通過配置不同濃度的NaCl 溶液，擬合出溶液的電導(dǎo)率與濃度的曲線：y＝1.878 9 x＋37.207 79，R2＝0.999 52，擬合效果好，說明濃度大小與電導(dǎo)率是正相關(guān)的。

配置一定濃度的NaCl 溶液，測定其電導(dǎo)率，將配好的模擬液加入到搭建好的電吸附裝置中，調(diào)整好一定的實驗參數(shù)，打開電源開啟電吸附過程，從通電開始每十分鐘用泵抽取液體取樣，用電導(dǎo)率儀測定其電導(dǎo)率。去除率的計算方法如式（1）所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 掃描電鏡（SEM）分析

利用掃描電鏡來觀察ACF 的形貌結(jié)構(gòu)，從圖1 中可以看出，活性炭纖維結(jié)構(gòu)較密，呈現(xiàn)出線條狀，纖維之間相互交錯，且有著發(fā)達(dá)的間隙結(jié)構(gòu)，這使得其擁有較好的吸附效果，將有利于吸附溶液中的離子。

圖1 活性炭纖維的SEM 圖

2.2 比表面積及孔徑分布分析

比表面積和孔結(jié)構(gòu)也是反應(yīng)材料吸附性能的一個重要因素。表1 為電極的比表面積BET 測試的相應(yīng)數(shù)據(jù)，從表1 中可以看出，ACF 的比表面積很高，已經(jīng)達(dá)到了1 534.43 m2/g，BJH 吸附累計孔容為0.18 mL/g，BJH 吸附平均孔徑為1.25 nm。可以看出ACF 具有很高的吸附接觸面積，這將有利于電吸附。

表1 ACF 電極的比表面積表征數(shù)據(jù)

2.3 電壓對電吸附效果的影響

圖2 是不同電壓下電吸附的效果對比，設(shè)置了四種不同的電壓（0 V、0.8 V、1.0 V、1.2 V），配置的溶液為50 mg/L 的NaCl 溶液，進(jìn)行60 min 的吸附過程，當(dāng)電壓為開路電壓（0 V）時，吸附效果很差，但因為ACF 自身具有較高的比表面積，所以電導(dǎo)率也略有下降。隨著電壓的增大，吸附效果有所增加，去除率也增加。當(dāng)電壓達(dá)到1.2 V 時，去除率為61.54%。這是因為隨著電壓增加，兩板間的電場強(qiáng)度增強(qiáng)，對水中的離子有著更強(qiáng)的吸附，使得去除率升高。

圖2 不同電壓下的電吸附效果

圖3 不同板間距下的電吸附效果

2.4 板間距對電吸附效果的影響

圖3 為不同板間距下的吸附效果，溶液濃度為50 mg/L，通過設(shè)置三種不同的板間距（2 mm、3 mm、4 mm），產(chǎn)生了不同的吸附效果，當(dāng)板間距為3 mm 時，去除率最高。然而當(dāng)板間距為2 mm 時吸附效果并不及3 mm，這說明板間距并非越小越好。因為板間距太小時，會導(dǎo)致水流不暢，不利于產(chǎn)水的排出，甚至?xí)a(chǎn)生短路。當(dāng)板間距太大時，電場相互作用減弱，同時加大了離子在兩板間移動的距離，增大了吸附完成的時間，這樣不利于提升吸附的效果。

2.5 板面積對電吸附效果的影響

圖4 為不同板面積下的電吸附效果，溶液濃度為50 mg/L，設(shè)置了三種不同大小的板面積，板面積分別為50 cm2、75 cm2、100 cm2。從圖中可以看出，隨著板面積的增大，吸附效果有所提高，去除率分別為47.11%、52.88%、61.54%。這是因為板面積的增大提高了電吸附的面積，更有利于電吸附過程。但是過大的板面積也會增大實驗材料的消耗，經(jīng)濟(jì)效益低，所以板面積也不能太大。

圖4 不同板面積下的吸附效果

圖5 不同濃度的鹽溶液的電吸附除鹽效果

2.6 對不同濃度鹽溶液的電吸附脫鹽研究

圖5 為不同濃度的NaCl 溶液的電吸附除鹽效果，設(shè)置三種濃度的鹽溶液，分別為300 mg/L、400 mg/L、500 mg/L。通過實驗可以看出，電吸附對高濃度鹽溶液也有一定的除鹽效果，濃度越高去除效果越低，三種濃度下的去除率分別為50.33%、43.49%、30.09%。這是因為濃度越高，電吸附越容易飽和，當(dāng)達(dá)到飽和后，電吸附的過程將減弱。

2.7 電吸附的脫附效果研究

圖6 為電吸附的脫附過程，選取的為500 mg/L 的NaCl 溶液，當(dāng)吸附過程進(jìn)行到60 min 時，將電源的正負(fù)極互換或短接，進(jìn)行脫附過程，從圖6 可以看出，脫附過程大約為50 min，且脫附效果較好，當(dāng)脫附進(jìn)行50 min 后，電導(dǎo)率達(dá)到了966 μS/cm，脫附率為95.64%。這也證明了電吸附具有良好的再生效果，可以二次再利用。

圖6 電吸附過程的脫附

3 結(jié)論

實驗表明，活性炭纖維具有較大的比表面積，本身也具備一定的吸附效果，ACF 電極的電吸附過程受電壓、板間距、板面積的影響。隨著外加電壓的提高，吸附效果會增強(qiáng)。板間距適當(dāng)?shù)臏p小，板面積的適當(dāng)增大都會提高電吸附的效果。通過使用ACF 作為電極電吸附處理鹽溶液可以達(dá)到較好的脫鹽效果，在電壓為1.2 V、板間距3 mm、板面積100 cm2的最優(yōu)實驗條件下，對NaCl 溶液的除鹽率為61.54%。同時，電吸附過程具有可脫附二次使用的特點。